新型薄煤層采煤機行星架的可靠性分析

新型薄煤層采煤機行星架的可靠性分析

孫桂英1，陳根1，步躍躍2

(1.兗礦東華重工有限公司機電裝備制造分公司，山東鄒城273500；2.兗礦東華重工有限公司采掘裝備制造分公司，山東鄒城273500)

摘要：研究通過Pro/E、ANSYS、ADAMS軟件建立新型薄煤層采煤機剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型，再利用協(xié)同仿真技術(shù)對關(guān)鍵零部件行星架在五種工況下的可靠性進行仿真分析。研究結(jié)果表明，行星架結(jié)構(gòu)滿足新型薄煤層采煤機可靠性設計要求。本次研究的分析方法為采煤機及其他零部件可靠性分析提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:采煤機行星架剛?cè)狁詈峡煽啃苑抡娣治?/p>

中圖分類號：TD421文獻標識碼：A

作者簡介：孫桂英(1975- )，女，山東臨沂人，助理工程師，主要從事煤礦機械設計工作。

收稿日期：2015-03-30

Reliability analysis of planet carrier of a new thin seam shearer

SUN Guiying，CHEN Gen，BU Yueyue

Abstract:In this paper, the Pro/E, ANSYS, ADAMS are used to establish the Rigid-flex coupled virtual prototype of the new Shearer in Thin Coal Seam. The simulation analysis on the reliability of the key components planet carrier under five kinds of working conditions is performed. In this process the collaborative simulation technology is adopted. The research results show that the planet carrier structure satisfies the reliability of the design requirements of new thin coal seam shearer. The analysis method provides theoretical basis for the reliability analysis of the shearer and other components.

Keywords:shearer; planet carrier; rigid-flex coupled; reliability; simulation analysis

0引言

薄煤層采煤機是一個集機、電、液為一體的復雜系統(tǒng)，是實現(xiàn)薄煤層綜采工作面機械化、自動化開采作業(yè)的主要設備之一。由于工作環(huán)境復雜惡劣，在煤層復雜力的作用下，很容易發(fā)生故障，導致整個采煤工作中斷，給生產(chǎn)造成巨大的損失。高產(chǎn)高效綜采技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切要求采煤機具有較高的可靠性。因此，在探究采煤機工作的可靠性時，各薄弱環(huán)節(jié)的變形不能忽略，應對采煤機關(guān)鍵零部件進行可靠性研究。而在物理樣機上進行有關(guān)采煤過程的試驗既困難又有很大風險且代價昂貴。

結(jié)合兗礦集團機電設備制造廠自行研發(fā)設計的新式MG2×70/325型薄煤層采煤機，研究采用系統(tǒng)多領域建模與協(xié)同仿真的虛擬樣機技術(shù)[1]，以該采煤機關(guān)鍵部件行星架為分析對象，模擬采煤機在實際工作中的多種工況進行仿真分析，校核部件強度、剛度可靠性，為采煤機設計的可靠性提供理論依據(jù)。

1研究方法

此次研究將采用剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的建模理論和方法，通過三維參數(shù)化CAD軟件Pro/E、機械系統(tǒng)運動學和動力學分析軟件ADAMS建立MG2×70/325型薄煤層采煤機整機剛性模型，然后利用有限元分析軟件ANSYS建立行星架結(jié)構(gòu)的柔性模型替換原剛性模型中該結(jié)構(gòu)件，進而建立起剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型，再根據(jù)協(xié)同仿真技術(shù)，模擬采煤機在實際工作中的工況，對關(guān)鍵零部件行星架進行可靠性的仿真分析。

1.1采煤機主要結(jié)構(gòu)組成

設計的MG2×70/325型薄煤層采煤機結(jié)構(gòu)復雜、零部件種類繁多，按照子部件進行劃分，組成采煤機的主要子部件如圖1所示。其中研究對象行星架屬于左右搖臂內(nèi)的子部件。

圖1　采煤機整機主要子部件

1.2基于Pro/E的采煤機三維實體建模及裝配

在進行剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的建模前，首先要建立采煤機機械系統(tǒng)的零部件三維實體模型，然后進行裝配。在虛擬裝配中有三種方式，即：由底向上的裝配方法，由頂向下的裝配方法，混合裝配方法[2]。結(jié)合薄煤層采煤機的實際零部件情況，在整個裝配過程中采用由底向上的裝配設計方案。

采煤機三維模型裝配完成以后，需要對裝配體進行干涉檢查，以確保裝配體的各零部件以及子組件之間的間隙適當，避免各零部件之間產(chǎn)生干涉。利用Pro/E軟件的分析功能，對完成的虛擬裝配體進行全局干涉檢查。只有裝配正確，后續(xù)仿真才能可靠。如圖2所示在Pro/E環(huán)境中進行的全局干涉檢查操作。通過干涉檢查發(fā)現(xiàn)設計中存在問題，對設計進行修改，確定采煤機設計理論上的正確性。

圖2　基于Pro/E環(huán)境的全局干涉檢查圖

1.3采煤機剛性多體系統(tǒng)模型的建立

利用Pro/E與ADAMS之間的無縫鏈接接口MECHANISM/Pro將經(jīng)檢查后無干涉的采煤機實體模型導入ADAMS中。對導入的剛體模型進行材料的定義，完成約束、接觸、驅(qū)動的添加，經(jīng)模型驗證無冗余后，對剛體模型進行仿真分析，驗證其運動關(guān)系是否正確。如圖3所示所建立的采煤機剛體多體系統(tǒng)模型。

圖3　ADAMS下采煤機剛體模型圖

1.4采煤機剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型的建立

在確保剛體模型正確后，利用ANSYS將采煤機行星架離散成細小的網(wǎng)格，并進行模態(tài)計算，然后將其保存為模態(tài)中性文件(MNF)。以中性文件生成的行星架模型為柔性體，直接讀取到ADAMS中僅替換整機模型中剛性體行星架結(jié)構(gòu)后[3]，形成剛?cè)狁詈系牟擅簷C虛擬樣機，如圖4所示。通過模型校驗，確認無誤后，再進行剛?cè)狁詈系膭恿W仿真分析。

圖4　ADAMS下采煤機整機剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2整機瞬時負載的模擬

由于煤層賦存條件復雜，采煤機在截割煤壁時，會受到多變的瞬時載荷的沖擊，很容易導致?lián)u臂殼體、行星組件、軸承等關(guān)鍵零部件的損壞，影響采煤機的正常工作[4]。整機瞬時負載模擬，就是模擬采煤機在工作狀態(tài)下負載情況[5]。依據(jù)經(jīng)驗可知，薄煤層采煤機的整機主要負載源來自滾筒。

薄煤層采煤機在正常工作過程中，主要受到來自于煤壁的截割阻力和牽引阻力，布置在滾筒外側(cè)的截齒還要受到側(cè)向力作用，此外裝煤反力也對滾筒螺旋葉片產(chǎn)生影響；當滾筒的截齒截入煤壁時，滾筒還將受到軸向力的作用。考慮到受力的多重作用，采煤機滾筒瞬時負載計算具有復雜性、非線性、時變性和強耦合性等特點。本次研究根據(jù)對煤層賦存條件(兗礦集團楊村煤礦16、17層)以及采煤機工作情況的分析，對工況為截全煤、截割包裹體[6-7]、截割頂、底板，牽引速度v分別取4 m/min、2.5 m/min和0.5 m/min，堅固性系數(shù)f分別取1.3、4、9(包裹體)、8.5(頂、底板)，包裹體大小取200×500(單位：mm)等五種工況進行動力學仿真分析，設計仿真工況如表1所示。

表1

仿真工況

根據(jù)蘇聯(lián)學者提出的破煤理論[8]，結(jié)合本產(chǎn)品的邊界參數(shù)及計算原則對滾筒瞬時負載進行計算。通過采用Matlab的文件操作函數(shù)生成滾筒瞬時負載的文本，導入ADAMS后將文本數(shù)據(jù)進行定義，實現(xiàn)基于虛擬樣機系統(tǒng)復雜截割負載的施加問題[9]。根據(jù)采煤機螺旋滾筒的工況，利用數(shù)學模型可推導出不同工況下瞬時負載的文本，進而實現(xiàn)不同工況下對MG2×70/325型薄煤層采煤機的行星架的可靠性分析。

3各工況下行星架可靠性仿真分析

根據(jù)行星架的材料42 CrMo得知其屈服強度為998 MPa，取安全系數(shù)為1.859，則行星架的許用應力為536.8478 MPa。

3.1工況Ⅰ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計算行星架的應力最大值為138.05 MPa，未超過許用應力范圍。該工況下行星架是可靠的。

3.2工況Ⅱ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計算行星架的應力最大值為254.63 MPa，雖未超過許用應力范圍，但應力值較大。圖5所示該工況下行星架的等效應力云圖。從應力云圖可知在截割較硬全煤層時行星架的應力基本集中在行星架與方頭連接的花鍵處。通過改變顯示模態(tài)變形的比例系數(shù)可對柔性件的變形進行等值的放大，以便于觀察。圖6為在該工況下許用應力放大500倍變形等值圖，由變形圖可知行星架主要發(fā)生了彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合變形。

圖5　工況Ⅱ下應力云圖　　　圖6　工況Ⅱ下變形云圖

3.3工況Ⅲ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

分析該工況下，通過ADAMS計算行星架的應力最大值為193.9245 MPa，未超過許用應力范圍。

圖7所示最大應力節(jié)點的應力與時間曲線圖，可知達到最大應力時刻為0.579 s。從圖7可以看到最大應力出現(xiàn)負載加載開始的1 s內(nèi)，隨著時間推移，應力曲線一直處于上下波動情況，可知行星架在該工況下震動比較劇烈，但應力值都未超過193.9245 MPa。行星架在工況下基本可靠。

圖7　工況Ⅲ下最大應力節(jié)點應力曲線圖

3.4工況Ⅳ搖臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計算，行星架的應力最大值為158.7637 MPa，未超過許用應力范圍。

圖8所示該工況下行星架的等效應力云圖。從應力云圖可知行星架的應力基本集中在花鍵軸肩處。圖9為在該工況下應力放大500倍等值變形圖，變形部位主要集中在對應應力集中位置處。

圖8　工況Ⅳ下應力云圖　　圖9　工況Ⅳ下變形云圖

3.5工況Ⅴ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計算，行星架的應力最大值為115.9781 MPa，未超過許用應力范圍，強度富裕較大。圖10所示該工況下行星架的等效應力云圖，應力最大位置出現(xiàn)在花鍵軸肩處。圖11為在該工況下應力放大500倍變形等值圖，變形位置主要集中在花鍵過渡位置處，行星齒輪腔室位置也發(fā)生變形。

圖10　工況Ⅴ下應力云圖圖11　工況Ⅴ下變形云圖

4結(jié)論

由表2中五種工況的仿真結(jié)果可見，在各工況下行星架的最大主應力(Von Mises)均未超出其許用應力。

表2

五種工況下行星架的仿真結(jié)果

行星架作為采煤機行星傳動的關(guān)鍵零件，其關(guān)鍵部位由于承受來自滾筒的力和截割力矩而成為應力集中區(qū)域。在工況為截全煤、截割頂、底板時，最大應力時刻均為開始工作的瞬時，當截割包裹體時應力值波動幅度較大。從強度及剛度可靠性仿真分析可知，本項目設計的行星架結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

相對于物理樣機上進行有關(guān)采煤可靠性的過程試驗，采用新型薄煤層采煤機剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的研究分析方法，具有成本低、風險低、時間短等特點。同時能在研發(fā)設計階段完成可靠性分析，縮短產(chǎn)品的設計周期。此外，文章研究內(nèi)容也為分析MG2×70/325型薄煤層采煤機整機及其他關(guān)鍵零部件的可靠性提供參考依據(jù)。

參考文獻

[1]趙麗娟,馬永志.基于多體動力學的采煤機截割部的可靠性研究[J].煤炭學報,2009,34(9)：1271-1275

[2]鐘日銘等著.Pro/ENGINEER Wildfire5.0從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010：5

[3]李軍,邢俊文,覃文浩.ADAMS實例教程[M].北京:北京理工大學出版社,2002：218-221

[4]曲天智,蔣金泉,趙麗娟等.復雜結(jié)構(gòu)薄煤層高效綜采關(guān)鍵技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2010

[5]徐培,李文亮,張佃龍,孫強.EBZ220掘進機回轉(zhuǎn)臺的仿真分析[J].煤礦現(xiàn)代化,2014(1)：64-66

[6]于信偉.復雜煤層模擬及連續(xù)采煤機截割機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D].遼寧工程技術(shù)大學,2006

[8]趙麗娟,孫影.采煤機截割部的剛?cè)狁詈蟿恿W分析[J].機械傳動,2011,35(6)：68-71

[8]保晉E3.王慶康,門迎春，等譯.采煤機破煤理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992

[9]李貴軒,李曉豁.采煤機機械設計[M].沈陽:遼寧大學出版社,1994：82-87